CN108482626B - 一种基于离合变换的跃水海豚推进机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离合变换的跃水海豚推进机构，包括机架、设置在机架上的内轴、外轴、滚珠丝杠内外轴离合机构、与内轴和外轴连接的偏心调幅机构、与偏心调幅机构连接的正弦摆动机构。本发明通过位于机架底部的丝杠实现内外轴花键的啮合与分离两种状态，此两种状态分别为调幅与正弦摆动。在内外轴花键分离时进行调幅。位于机架右端的是一套曲柄滑块机构以实现摆杆的正弦摆动。本发明机构中基于花键离合的内外轴机构实现了调幅与摆动使用同一直流伺服电机作为动力源，使得结构更紧凑，凸轮副实现了无级电动调幅。

Description

一种基于离合变换的跃水海豚推进机构

技术领域

本发明涉及一种跃水推进机构，具体涉及一种基于离合变换的跃水海豚推进机构。

背景技术

仿生机器海豚的研究不仅可以为研究海豚运动的水动力学、游动机理、运动控制方法提供实验本体，并且与传统螺旋桨推进器相比，机器海豚有着噪声低、效率高，耗能低等优点，此外在水下机器人领域，海豚在游动性能、跃水运动、减阻机制、声纳探测等方面具有比鱼类更为卓越的性能。

北京大学和中科院自动化所智能联合仿生实验室先后研制出几代仿生机器海豚，首代海豚采用一个串联的、多关节的上下摆动机构来实现背腹式运动，用左右摆动机构实现转弯运动。此摆动机构作为初代海豚的主要推进力来源，较为成功地模拟了海豚的背腹式运动，但是此机构依靠电机的往复旋转来实现海豚的上下拍动，电机一直处于加减速及变向的过程中，不仅对电机动态特性要求更高，闭环控制难度也更大，而且电机无法发挥其最大效率，工作过程中易损坏。之后针对此缺点，研发出了一采用基于曲柄滑块，齿轮齿条传动的正弦可调幅机构，改进了初代海豚的不足，更为真实地模拟了海豚的运动。此机构采用拨叉与滑槽相结合的原理实现了电动调幅，因此更具灵活性。但由于滑槽仅依靠拨叉及齿轮齿条间的啮合力限位，长时间运动易损坏轮齿，因此，连续高频摆动时机构的可靠性较低。此后设计了一种模块化的仿生机器海豚推进机构，此机构基于曲柄滑块齿轮齿条传动仅依靠一个直流电机单方向的旋转即实现了海豚的背腹式运动，结构简单，重量轻。然而，此机构只能通过手动更换曲柄实现调幅，机构可调参数少，大大降低了机器海豚游动的灵活性与机动性。

由此可以看出国内外学者对仿生机器海豚进行了大量的研究，但都主要集中于水下，很少有学者去研究仿生机器海豚的出水运动。然而，出水运动的研究可以为开发和提高仿生机器鱼水上运动空间的可达性提供必要的理论与技术支持。为此需要设计一款高机动性跃水海豚推进机构。

发明内容

技术问题：本发明提供一种结构更紧凑，减少了重量，节约了空间，提高了效率，使得机构更利于跃水的基于离合变换的跃水海豚推进机构，大摆幅高机动特性加快了姿态调整时间，使得机构能在空中短时间内调整到预期的入水角度。

技术方案：本发明的基于离合变换的跃水海豚推进机构，包括机架、设置在所述机架上的内轴、外轴、滚珠丝杠内外轴离合机构、与所述内轴和外轴连接的偏心调幅机构、与所述偏心调幅机构连接的正弦摆动机构，所述外轴套在内轴的外部，通过滚珠丝杠内外轴离合机构实现二者的离合，所述偏心调幅机构包括与外轴固定连接的卡槽、与内轴固定连接的偏心轮、设置在所述偏心轮外部的凸轮槽，所述凸轮槽外部两侧的凸出部分插入卡槽中，所述正弦摆动机构包括与凸轮槽一侧的凸出部分连接的曲柄、安装在机架上的摆动槽、与所述摆动槽连接的摆杆，所述曲柄端部设置的滑块插入摆动槽中。

进一步的，本发明机构中，所述滚珠丝杠内外轴离合机构包括滚珠丝杠底座、安装在所述滚珠丝杠底座上的丝杠和丝杠滑块、安装在所述丝杠滑块上的滑台、安装在所述滑台上的外轴、驱动所述内轴的直流伺服电机、驱动所述丝杠的步进电机。

进一步的，本发明机构中，所述外轴与内轴采用矩形花键连接方式进行动力传输的离合，外轴通过左轴承座和右轴承座安装在滑台上，内轴通过轴承座和法兰轴承设置在机架上，外轴上与法兰轴承相邻部分设置有滚槽。

进一步的，本发明机构中，卡槽、滚槽、凸轮槽均采用铝合金材料。

进一步的，本发明机构中，所述凸轮槽两侧设置有凸轮槽限位板，将偏心轮限制在其中。

进一步的，本发明机构中，所述曲柄一端通过第一螺栓形成的转动副与凸轮槽一侧的凸出部分连接，另一端通过第二螺栓形成的转动副与滑块进行连接，所述摆动槽通过摆动轴安装在机架上的滑槽中。

本发明通过位于机架底部的丝杠实现内外轴花键的啮合与分离两种状态，此两种状态分别为调幅与正弦摆动。在内外轴花键分离时进行调幅。位于机架右端的是一套曲柄滑块机构以实现摆杆的正弦摆动。本发明机构中基于花键离合的内外轴实现了调幅与摆动使用同一直流伺服电机作为动力源，使得结构更紧凑，使用凸轮副实现了无级电动调幅。

有益效果：本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1)采用离合原理，设计出基于花键离合的内外轴机构，通过花键离合的切换实现了调幅、正弦摆动两种状态采用同一直流伺服电机作为动力源，使得机构更紧凑，减少了重量，节约了空间，提高了效率，使得机构更利于跃水。

2)在跃水的各个阶段，本机构有着无比的优越性。在跃水的第一水下加速阶段，本发明应用新型曲柄滑块机构实现了背腹式正弦摆动，更逼真的模拟了现实海豚的运动，最大化加快了运动速度。在跃水的第二改变俯仰角阶段，本发明采用编码器及姿态传感器实现了精确的闭环控制，使得机构达到理想的出水角度。在跃水的第三空中调整姿态阶段，本机构的大摆幅高机动特性加快了姿态调整时间，使得机构能在空中短时间内调整到预期的入水角度。

3)将凸轮机构应用于调幅装置中，既实现了电动调幅，同时相比于涡轮蜗杆机构，仅靠电机的单向转动便实现了无级调幅，同时更节省空间，利于跃水。

4)突破了传统的曲柄滑块加齿轮齿条传动的方案，仅使用一种新型曲柄滑块机构便实现了正弦摆动，使得机构更高效紧凑，利于跃水。

5)采用当前最新款基于Cortex-M3的STM32F103作为主控芯片，此外直流伺服电机与步进电机均带有编码器及与主轴同步转动的姿态传感器，高速运算芯片加上反馈传感器实现了机构的精确闭环控制，使得机构达到预期的运动参数，为实现跃水提供了便利。

附图说明

图1是本发明立体结构示意图

图2是图1的前视示意图

图3是本发明内外轴及偏心轮调幅机构的立体结构示意图

图4是偏心轮调幅机构的立体结构示意图

图5是内外轴立体结构示意图

图6是内外轴立体结构剖视图

图7是新型曲柄滑块装置立体结构示意图

图8是曲柄结构示意图

图中有：摆杆1，摆动槽2，曲柄3，凸轮槽4，滚槽5，直流伺服电机6，直齿圆柱小齿轮7，直齿圆柱大齿轮8，内轴9，外轴10，滚珠丝杠底座11，滑块12，支架13，第一螺栓14，直流伺服电机编码器15，直流伺服电机支架16，直流伺服电机减速器17，轴承座18，丝杠19，左轴承座20，滑台21，右轴承座23，丝杠滑块22，步进电机24，法兰轴承25，卡槽26，第二螺栓27，偏心轮28，摆动轴29，凸轮槽限位板30。

具体实施方式

下面配合实施例和说明书附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1、图2所示，一种基于离合变换的跃水机器海豚推进机构，包括内外轴离合机构、偏心调幅机构及正弦摆动机构。内外轴离合机构包括：机架13，在机架13上通过直流伺服电机支架16安装一直流伺服电机6，在直流伺服电机6尾部上安装有直流伺服电机编码器15，直流伺服电机6的输出端接一个减速器17。减速器17的输出端经过直齿圆柱小齿轮7和直齿圆柱大齿轮8传动连接到内轴9，其中内轴9通过轴承座18安装在支架13上，外轴10套在内轴9外，外轴10通过左轴承座20和右轴承座23固定，左轴承座20和右轴承座23通过滑台21与丝杠滑块22固连。丝杠滑块22与丝杠19采用螺纹连接，丝杠19通过滚珠丝杠底座11固定于机架13上，步进电机24固定于滚珠丝杠底座11上。在此机构中，外轴10、左轴承座20和右轴承座23可随丝杠滑块22一起往复移动，其中内轴9和外轴10采用花键连接方式进行离合。

如图3、图4所示，偏心调幅机构包括滚槽5，滚槽5固定在外轴10上，卡槽26固定于滚槽5上，滚槽5及卡槽26均随外轴10一起转动。凸轮槽4和偏心轮28组成了凸轮副，其中偏心轮28固定在内轴9上，凸轮槽4通过凸轮槽限位板30固定于偏心轮上凸轮槽4的两侧插于卡槽26中。在内外轴花键分离时，直流伺服电机6转动带动内轴9转动，外轴10静止，与外轴10固定的滚槽5静止，内轴9带动偏心轮28旋转，与偏心轮28相切的凸轮槽4在卡槽26中移动，从而与凸轮槽4固定的曲柄3与内轴9的中心距改变，即改变曲柄3的圆周运动半径。如图7、图8所示，正弦摆动机构，包括：曲柄3，曲柄3与凸轮槽4一侧凸出的部分通过第一螺栓14形成转动副，滑块12与曲柄3通过第二螺栓27形成转动副。滑块12插于摆动槽2中，摆动槽2固定于摆动轴29上，摆动轴29固定于机架13上，摆动杆1固定于摆动槽2上。在内外轴花键啮合时，通过曲柄3的匀速圆周运动带动摆动槽的上下正弦运动，从而实现摆杆的正弦摆动。

上述实施例中，直流伺服电机采用MAXON EPOS电机，并安装有4096线增量式编码器。直齿圆柱齿轮传动比为26∶50。本机构主控芯片采用基于Cortex-M3的STM32F103芯片。

如图1-8所示，本发明操作时，启动步进电机，步进电机带动丝杠转动，使与滑块固连的外轴与内轴花键分离，分离结束，停止步进电机启动直流伺服电机，此时直流伺服电机带动内轴转动，外轴静止，与外轴固定的滚槽静止，内轴带动偏心轮旋转，与偏心轮相切的凸轮槽在卡槽26中移动，与凸轮槽固定的曲柄与内轴的中心距改变，即改变曲柄的圆周运动半径，当圆周半径调到预期值，停止伺服电机，再次启动步进电机带动丝杠转动，使与滑块固连的外轴与内轴花键啮合，啮合结束停止步进电机，启动直流伺服电机，在内外轴花键啮合时，直流电机带动内轴转动，内轴带动外轴和偏心轮转动，外轴带动滚槽转动，从而偏心轮与凸轮槽相对静止，曲柄圆周运动半径不变，从而通过新型曲柄滑块，使摆杆正弦摆动。本发明采用离合原理，设计出基于花键离合的内外轴机构，通过花键离合的切换实现了调幅、正弦摆动两种状态采用同一直流伺服电机作为动力源，使得机构更紧凑，减少了重量，节约了空间，提高了效率，使得机构更易于跃水。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护。

Claims (6)

1.一种基于离合变换的跃水海豚推进机构，其特征在于，该机构包括机架(13)、设置在所述机架(13)上的内轴(9)、外轴(10)、滚珠丝杠内外轴离合机构、与所述内轴(9)和外轴(10)连接的偏心调幅机构、与所述偏心调幅机构连接的正弦摆动机构，所述外轴(10)套在内轴(9)的外部，通过滚珠丝杠内外轴离合机构实现二者的离合，所述偏心调幅机构包括与外轴(10)固定连接的卡槽(26)、与内轴(9)固定连接的偏心轮(28)、设置在所述偏心轮(28)外部的凸轮槽(4)，所述凸轮槽(4)外部两侧的凸出部分插入卡槽(26)中，所述正弦摆动机构包括与凸轮槽(4)一侧的凸出部分连接的曲柄(3)、安装在机架(13)上的摆动槽(2)、与所述摆动槽(2)连接的摆杆(1)，所述曲柄(3)端部设置的滑块(12)插入摆动槽(2)中。

2.根据权利要求1所述的基于离合变换的跃水海豚推进机构，其特征在于，所述滚珠丝杠内外轴离合机构包括滚珠丝杠底座(11)、安装在所述滚珠丝杠底座(11)上的丝杠(19)和丝杠滑块(22)、安装在所述丝杠滑块(22)上的滑台(21)、安装在所述滑台(21)上的外轴(10)、驱动所述内轴(9)的直流伺服电机(17)、驱动所述丝杠(19)的步进电机(24)。

3.根据权利要求2所述的基于离合变换的跃水海豚推进机构，其特征在于，所述外轴(10)与内轴(9)采用矩形花键连接方式进行动力传输的离合，外轴(10)通过左轴承座(20)和右轴承座(23)安装在滑台(21)上，内轴(9)通过轴承座(18)和法兰轴承(25)设置在机架(13)上，外轴(10)上与法兰轴承(25)相邻部分设置有滚槽(5)。

4.根据权利要求3所述的基于离合变换的跃水海豚推进机构，其特征在于，所述卡槽(26)、滚槽(5)、凸轮槽(4)均采用铝合金材料。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于离合变换的跃水海豚推进机构，其特征在于，所述凸轮槽(4)两侧设置有凸轮槽限位板(30)，将偏心轮(28)限制在其中。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的基于离合变换的跃水海豚推进机构，其特征在于，所述曲柄(3)一端通过第一螺栓(14)形成的转动副与凸轮槽(4)一侧的凸出部分连接，另一端通过第二螺栓(27)形成的转动副与滑块(12)进行连接，所述摆动槽(2)通过摆动轴(29)安装在机架(13)上的滑槽中。